DE3806333A1 - Robotergreifer mit drehzahlgesteuerter greifkraftregelung und einstellbarer daempfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Robotergreifer zur adaptiven Handhabung berührungsempfindlicher Gegenstände nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Robotergreifer sind bisher mit rein mechanischen oder mit pneumatischen Antrieben ausgestattet.

Bei rein mechanischen Antrieben ist der Antriebsmotor über ein Getriebe fest mit den Greiferbacken verbunden. Um am Greifob­ jekt die gewünschte Greifkraft aufzubringen, müssen die Greiferbacken in eine bestimmte Lage zum Greifobjekt gebracht werden und danach muß der Motor zum Stillstand kommen. Da die Lage der Greiferbacken, bei der die gewünschte Greifkraft aufgebracht ist, vorher nicht bekannt ist (z.B. aufgrund der Nachgiebigkeit des Greifobjektes), können die Backen nur langsam an das Greifobjekt heranfahren, damit der Motor nach Erreichen der gewünschten Greifkraft möglichst schnell zum Stillstand kommen kann. Ebenso ist die adaptive Greifkraftein­ stellung am gegriffenen Gegenstand mit einem hohen Zeitaufwand verbunden, da eine schnelle Bewegungsgeschwindigkeit der Backen ein Überschwingen bei Anfahren einer neuen Greifkraft zur Folge hat, so daß der Antriebsmotor zur genauen Einstel­ lung mehrmalige Drehrichtungsänderungen ausführen muß. Da die hohe Getriebeübersetzung das Trägheitsmoment des Motors und die Haftreibung der vorderen Getriebestufen bis zum Getriebe­ ausgang stark erhöht, ist kein selbständiges Zurückweichen der Greiferbacken beim Auftreten hoher äußerer Kräfte möglich.

Bei pneumatisch angetriebenen Greifern läßt ein Drucksteller Druckluft in einen Raum einströmen, von dem aus die Greifkraft auf die Greiferbacken übertragen wird. Die Einstel­ lung der gewünschten Greifkraft ist auch bei diesem Greiferan­ trieb nur langsam möglich, da der Drucksteller die Luft kurz vor Erreichen der Sollgreifkraft nur noch langsam in den Druckraum einströmen läßt. Darüberhinaus müssen auch für das Ansprechen des elektrisch-pneumatischen Druckstellers relativ hohe Zeitverzögerungen in Kauf genommen werden. Die Einstel­ lung der Greifweite ist bei dieser Antriebsart nicht möglich. Der flüssigkeitsgekuppelte Greiferantrieb mit drehzahl­ gesteuerter Greifkraftregelung besitzt keine Einstellmög­ lichkeit, die durch die Veränderung des Greifkraft- Drehzahlverhältnisses einen schnellen Anfahrvorgang der Greiferbacken an das Greifobjekt erlaubt. Der Antriebsmotor ist mechanisch eng mit dem Greifapparat verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die adaptive Handhabung berührungsempfindlicher Gegenstände durch einen Robotergreifer bei schnellem Greifen und schneller selbsttäti­ ger Anpassung der Greifkraft zu ermöglichen sowie eine große Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms zu erlauben. Die Greifkraft soll dabei an die Abzugskräfte und die Abzugsmo­ mente angepaßt werden, also an die Kräfte, die bestrebt sind, den Gegenstand aus den Greiferbacken herauszuziehen bzw. ihn innerhalb der Backen zu drehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels eines Greifer­ antriebs , bei dem ein Elektromotor mit einer Pumpe verbun­ den ist, die sich mit einem Hydraulikzylinder in einem Ölkreislauf befindet. Im Hydraulikzylinder ist ein verschieb­ barer Kolben eingesetzt, der mit einer Greiferbacke verbun­ den ist. Im Kolben befindet sich ein verschiebbarer Spalt , durch den das Öl den Kolben durchströmen kann. Zur Verringerung der Wandreibung ist der Außendurchmesser des Kolbens etwas geringer als die Bohrung des Hydraulikzylinders. Strömt das Öl durch den Kolben und außen am Kolben vorbei, so ergibt sich beim Durchströmen der Spalte ein Druckverlust. Daraus resultiert eine Druckdifferenz über dem Kolben. Befindet sich der Kolben dabei in Ruhe, wie es im gegriffenen Zustand der Fall ist, so ergibt sich eine Greifkraft, die proportional zur Druckdifferenz über dem Kolben ist. In den Spalten kann sich eine Poiseuille- Strömung ausbilden, wobei die Druckdifferenz und damit die Greifkraft proportional zum Spaltstrom ist. Bei ruhendem Kolben verhält sich daher die Greifkraft proportional zum Volumenstrom des Hydrauliköles und damit proportional zur Drehzahl des die Pumpe antreibenden Elektromotors . Die Greifkraft kann also am gegriffenen Gegen­ stand über die Motordrehzahl eingestellt werden. Bei stillste­ hendem Kolben wird dabei die gesamte mechanische Energie des Pumpenmotors in dem durch die Spalte und Leitungen strömenden Öl in Wärme umgesetzt.

Eine weitere Einstellmöglichkeit ist durch die Veränderung der Spalthöhe im Kolben gegeben. Durch die Änderung der Spalt­ höhe kann das Verhältnis der Greifkraft zur Drehzahl des Pump­ motors eingestellt werden. Diese Einstellmöglichkeit wird im wesentlichen während des Anfahrvorganges benötigt, weil dadurch auch die Dämpfung der auf das Greifobjekt auftreffenden Greiferbacken beeinflußt werden kann.

Die Regelung der Greifkraft erfolgt durch eine Regelungsein­ richtung, die nach dem Blockschaltbild (Fig. 3) aufgebaut ist. Die Anpassung der Greifkraft erfolgt im wesentlichen über die Einstellung der Drehzahl des Pumpmotors. Treten äußere Bedingungen auf, die zur Aufrechterhaltung der eingestellten Greifkraft eine Lageänderung der Greiferbacken erfordern, so können die Backen ohne Änderung der Motordrehzahl selbständig zurückweichen oder werden selbständig nachgeführt. Bei Änderungen der Sollgreifkraft stellt die Regelung die der Greifkraft entsprechende Motordrehzahl ein. Danach nehmen die Backen die Lage, bei der diese Greifkraft übertragen wird, selbständig ein. Eine Lageänderung der Backen und der damit verbundenen Hydraulikkolben vollzieht sich wegen der Durchlässigkeit der Kolben ohne daß dazu ein größeres Ölvolumen beschleunigt werden muß. Die schnelle Greifkraftregelung gewährleistet durch die Anpassung der Drehzahl die Aufrechterhaltung der erforderlichen Greifkraft auch bei größeren Bewegungsgeschwindigkeiten der Backen. Der Anfahrvorgang der Backen an das Greifobjekt wird durch eine Anfahrregelung seperat geregelt.

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Draufsicht des Greifers. Die außerhalb des Greifers untergebrachte Pumpe (2), die vom Motor (1) angetrieben wird, ist über zwei Hydraulik­ schläuche (7 u. 8) mit dem Antriebszylinder (3) der linken Greiferbacke verbunden. In diesem Hydraulikzylinder (3) befindet sich ein Kolben (4), der beidseitig in einer Stange (9 u. 10) endet. Die Kolbenstangen (9 u. 10) treten an den beiden Enden des Hydraulikzylinders aus. Sie sind dort geführt und abgedichtet. Der Kolben (4) treibt die linke Greiferbacke (5) über die linke Kolbenstange (10) einen Hebel (11) und den linken Greiferfinger (12) an.

Innerhalb des Kolbens (4) befindet sich ein verschiebbarer Kegel (39), der von einem zweiten Motor (13) über einen Hydraulikkolben (14), einen Schlauch (15) und über die mit einer Bohrung versehene rechte Kolbenstange (9) hydraulisch angetrieben wird. Durch die Lageänderung des Kegels (12) kann der Spalt zwischen dem Kegel und der konischen Ausdrehung innerhalb des Kolbens (4) verändert werden. Während des Greif­ vorganges kann das von der Pumpe (2) bewegte Hydrauliköl den Kolben (4) durch den Spalt und die beidseitig des Spaltes vorhandenen Bohrungen durchströmen.

An dem mit der rechten Greiferbacke (16) verbundenen Greifap­ parat ist der hydraulische Ausgleich zur Parallelstellung der Greiferbacken verdeutlicht. An der Greiferfingerdrehachse (17) ist ein kurzer Hebel (18) angebracht, welcher am Ende mit einer Stange (19) verbunden ist. Die Stange (19) verläuft innerhalb eines mit einer Bohrung versehenen Zylinders (20), der am Greifergehäuse gelagert ist. Am Ende des Zylinders ist ein Hydraulikschlauch (21) angeschlossen. Er führt zu einem zweiten, gleichgroß dimensionierten Zylinder (22). Dieser Zylinder (22) ist am Greiferfinger (23) gelagert. Die im Zylinder (22) laufende Stange (24) ist über einen Hebel (25) mit der Greiferbacke (16) verbunden. Bei der Drehung des Greiferfingers (23) verhindert die hydraulische Verbindung der beiden Stangen (19 u. 24) das Mitdrehen der Greiferbacke (16). Vor dem Roboteranschlußflansch (31) ist der Greifer an einer Welle (27) drehbar gelagert. Die Abstützung des Greifers um diese Drehachse erfolgt über eine Wägezelle (38) und über die beidseitig an der Wägezelle angebrachten Blattfedern (28) auf eine Zwischenplatte (29), die mit der Roboteranschlußplatte (31) verbunden ist. Die Wägezelle dient zur Momentenmessung um die Drehachse (27).

Fig. 2 zeigt die untere Grundplatte (32) des Greifers. In den beiden halbkreisförmigen Ausfräsungen (33 u. 34) werden die Enden der Greiferfinger (12 u. 23) geführt. Durch diese Führungen wird während der Drehung der Greiferfinger eine Bewegung der Greiferbacken (5 u. 16) in y-Richtung unterbun­ den.

Eine gewisse Nachgiebigkeit der Greiferbacken selbst wird durch zwischen Greiferbacke (16) und Deckel (36) angeordnete Federpakete (35) erreicht. Mit Dehnungsmeßstreifen ausgerüs­ tete, senkrecht zueinander angeordnete Meßfederpaare (37) sind innerhalb der Greiferbacken angebracht und leiten die vom Greiferantrieb ausgeübten Kräfte auf den Deckel (36) weiter, der die Meßfedern umschließt. Dieser Deckel wird von der ebenfalls deckelförmig ausgebildeten Greiferbacke (16) umschlossen. Die Federpakete (35) ermöglichen einen rutschfreien Anhebevorgang, da die Greifkraftregelung bei schweren Greifobjekten die Greifkraft während der Dehnung der Federn erhöhen kann.

Eine zusätzliche Nachgiebigkeit der Greiferbacken bzw. des Greifers beim Anstoßen der Backen oder des Greifobjektes ist durch die Blattfedern (28) und durch die mit Spiralfedern versehenen Führungen (30) gegeben. Die Blattfedern (28) erlauben die Drehung des Greifers um die Welle (27) und damit die Nachgiebigkeit der Backen in z-Richtung. Die mit Spiralfedern versehenen Führungen (30) ermöglichen die Nachgiebigkeit des Greifers in y-Richtung. Da jede Greiferbacke über eine eigene Antriebseinheit verfügt, die ein selbständiges Zurückweichen bzw. Nachführen der Greiferbacken bis zur Übertragung der geforderten Greifkraft gewährleistet, ist eine Nachgiebigkeit der Greiferbacken in x-Richtung möglich, ohne das Greifobjekt dabei loszulassen. Diese Einrichtungen gewährleisten somit die allseitige Nachgiebigkeit der Greiferbacken bei einer kompakten Bauweise.

Die Messung aller auf die Greiferbacken wirkenden äußeren Kräfte und Momente als Eingangsgrößen für die Regelungsein­ richtung erfolgt durch 12 mit Dehnungsmeßstreifen versehene Federanordnungen (37) sowie durch in die Wägezelle integrierte Federanordnungen. Diese integrierte Anordnung der Kraft-und Momentenmeßeinrichtungen ermöglicht unter anderem eine kompakte Bauweise des Greifers.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Regelungseinrichtung des Greifers. (41) zeigt die Regelungsstruktur der Greifkraftrege­ lung und der G/ω -Regelung. Dieser Teil der Greiferregelung ist zweifach vorhanden, jede Greiferbacke wird über eine solche Regelungseinrichtung angesteuert.

Die Greifkraftregelung und die G/ω -Regelung sind kaskadenar­ tig strukturiert. Sie zeichnen sich durch eine gemeinsame äußere Rückführung (43) aus, wobei mittels der Meßsignale der mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Federn (37) und der Pump­ motordrehzahl ständig der aktuelle G/ω -Istwert (44) gebil­ det wird.

Der Aufbau der Regelungen ist der Strömungsform des Öles im Kolbenspalt angepaßt. Bei Durchströmen des Kolbens bildet sich im Spalt näherungsweise eine Poiseuille-Strömung aus. Wird die Gleichung der Poiseuille-Strömung auf die Regelstrecke der Greiferregelung übertragen, so verhält sich die scheinbare dynamische Zähigkeit des Hydrauliköles

η _s ∼(G/ ω) · h ³ (1)

Die Greifkraft G entspricht hierbei dem Druckabfall der Spalt­ strömung, die Motordrehzahl entspricht bei ruhendem Kolben der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Schergeschwindig­ keit im Spalt und h ist die Spalthöhe. Die Zähigkeit η _s ist von den drei in der Gleichung (1) rechtsstehenden Parametern weitgehend unabhängig. Sie wird in erster Linie von der Öltem­ peratur T beeinflußt. Die Öltemperatur ändert sich jedoch relativ langsam, so daß bei schnellen Änderungen der Motordrehzahl oder der Spalthöhe die Zähigkeit als konstant angesetzt werden kann. Die Sollgreifkraft wird über die Pumpmotordrehzahl eingestellt, der G/ω -Sollwert wird über die Spalthöhe und damit über die Lage des im Kolben verschiebbaren Kegels (39) eingestellt. Da die Regelstrecke der Pumpmotordrehzahlregelung eine niedrigere Ordnung besitzt als die Regelstrecke der Kegellageregelung, kann die Greifkraftregelung schneller ausgeführt werden als die G/ω - Regelung. Bei schnellen Greifkraftänderungen kann daher die Änderung der Spalthöhe vernachlässigt werden. Mit dieser Annahme ist bei schnellen Greifkraftänderungen die scheinbare dynamische Zähigkeit nur noch dem G/ω -Wert proportional:

η _s ∼G/ ω

Bleibt bei Drehzahländerungen der η _s -Wert konstant, so folgt daraus:

G/ ω = konst. = G _ist /ω _ist = G _soll /ω _soll

Aus dieser Gleichung wird die Solldrehzahl ermittelt:

ω _soll = G _soll · ω _ist /G _ist

Bei der Greifkraftregelung wird auf diese Weise die Solldreh­ zahl aus der Sollgreifkraft bestimmt. Dieser Drehzahlsollwert wird einer unterlagerten Drehzahlregelung zugeführt. Nach Einstellung der Solldrehzahl wird am Ausgang der aus Motor, Pumpe und Hydraulikzylinder bestehendenen Regelstrecke die gewünschte Greifkraft ausgeübt.

Die scheinbare dynamische Zähigkeit η ist neben der Öltemperatur auch von der Schergeschwindigkeit des Öles und damit während des Greifvorganges von der Motordrehzahl ab­ hängig. Diese Abhängigkeit ist jedoch gering (scheinbare dynamische Zähigkeit η _s ≈ dynamische Zähigkeit η), so daß sich beim Anfahren der Solldrehzahl durch die ständige Ak­ tualisierung des G/ω -Istwertes und der Neuberechnung der Solldrehzahl dennoch die genaue Einstellung der Sollgreifkraft erreichen läßt. Ebenso können auf diese Weise Änderungen des G/ω -Wertes durch die relativ langsame Spalthöhenlagerege­ lung sowie Änderungen der Öltemperatur berücksichtigt werden.

Die Einstellungsvorschrift der Sollspalthöhe aus dem G/ω - Sollwert ergibt sich aus der Gleichung (1). Bleibt die Zähig­ keit η bis zur Einstellung des G/ω _s-Sollwertes kon­ stant, so folgt daraus:

(G/ ω) · h ³ = konst. = (G/ ω) _ist · h ³ _ist = (G/ ω) _soll · h ³ _-soll

Aus dieser Gleichung läßt sich die einzustellende Spalthöhe errechnen:

Die innerhalb der G/ω -Regelung auf diese Weise ermittelte Sollspalthöhe wird von einer unterlagerten Lageregelung (bestehend aus Lageregler, Lageregelstrecke, Spalthöhenmeßein­ richtung und Soll-Istwertvergleich der Spalthöhen) eingere­ gelt.

Die Istgreifkraft ergibt sich dann aus der Gleichung (1):

G = K · η _s · ω/h ³      K = Konstante

Der G/ω -Istwert kann jedoch nur während eines Greifvor­ ganges aus den gemessenen Werten der Greifkraft und der Motor­ drehzahl bestimmt werden. Hat sich das Hydrauliköl nach längerem Stillstand eines Pumpmotors abgekühlt und beginnt danach ein Anfahrvorgang, so kann auf diese Weise kein aktuel­ ler G/ω -Istwert errechnet werden, da kein aktueller Greif­ kraftwert vorliegt. Um dennoch einen G/ω -Istwert zur Ermittlung der maximalen Anfahrgeschwindigkeit der Greiferbacken zu erhalten, kann der G/ω -Istwert auch indirekt durch Messung der Öltemperatur am Kolbenspalt und der Spalthöhe gewonnen werden.

Dazu ist, seperat für jede Greiferbackenregelung, eine Vorrichtung vorgesehen, die im Blockschaltbild unter (42) zu sehen ist. Dabei wird aus der Öltemperaturmessung und der η-T- Kennlinie des Öles die dynamische Zähigkeit η ermittelt. Damit läßt sich, unter Einbezug der gemessenen Spalthöhe h, nach der Gleichung (1) ein G/ω-Istwert errechnen:

G/ω = · η/h ³       = Konstante

In Abhängigkeit der Stellung des Schalters S 4 kann der G/ω- Istwert aus den Meßwerten der Öltemperatur und der Spalthöhe oder aus den Meßwerten der Motordrehzahl und der Greifkraft auf die Greifkraftregelung und die G/ω -Regelung geschaltet werden.

(40) zeigt die Regelungskomponenten zur symmetrischen Ausrich­ tung der beiden Greiferbacken zur Greiferlängsachse. Diese Regelungskomponente kann bei Bedarf durch den Schalter S 1 aktiviert werden.

Claims (6)

1. Zweibacken-Robotergreifer zur adaptiven Handhabung berührungsempfindlicher Gegenstände mit drehzahlgesteuerter Greifkrafteinstellung, geradliniger Führung, integrierter Meßeinrichtungsanordnung aus mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Meßfedern zur Messung der auf die Greiferbacken wirkenden äußeren Kräfte und Momente, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifkraft vom Antriebsmotor über eine im Öl- Kreislauf mit einem Hydraulikzylinder geschaltete Hydraulikpumpe auf die Greiferbacken übertragen wird, wobei der im Hydraulikzylinder verschiebbare und mit einem Greiferbacken verbundene Kolben im Inneren einen verstellbaren Spalt aufweißt, durch den das Öl unter Druckverlust den Kolben durchströmen kann und der Greifer über eine Regelungseinrichtung nach Fig. 3 verfügt.

2. Zweibacken-Robotergreifer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die translatorische Führung der Greiferbacken über jeweils einen drehbar gelagerten Greiferfinger erfolgt, wobei ein Zapfen an der Wurzel des Greiferfingers in eine Führung eingreift.

3. Zweibacken-Robotergreifer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Greiferbacken und Drehgelenk des Greiferfingers zwei gekoppelte Hydraulikzylinder zur Parallelführung der Greiferbacken angebracht sind.

4. Zweibacken-Robotergreifer nach Anspruch 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Greiferbacken zwei mit Dehnungsmeß­ streifen versehene senkrecht zueinander stehende Meßfederpaare angeordnet sind und an den Greiferfingern je eine mit Dehnungsmeßstreifen versehene Meßfeder angeordnet ist und eine Wägezelle am Anschlußflansch des Greifers angebracht ist zur Messung der in allen 3 Raumrichtungen wirkenden äußeren Kräfte und Momente als Eingangsgrößen für die Greiferregelung (Fig. 3).

5. Zweibacken-Robotergreifer nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Greiferbacke und dem die mit Dehnungsmeßstreifen versehenen Meßfedern umschließenden Deckel wellenförmige Federn angebracht sind.

6. Zweibacken-Robotergreifer nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer durch federnde Elemente mit der Grundplatte verbunden ist.